高频电子电路第6章正弦波振荡器

1、1.1.振荡器振荡器 不需外加输入信号，自动地将直流电能转不需外加输入信号，自动地将直流电能转换为交流电能的装置。换为交流电能的装置。2.2.振荡器的振荡器的用途用途 信号发生器、数字式频率计、无线电发送信号发生器、数字式频率计、无线电发送设备、超外差式接收机等。设备、超外差式接收机等。音 频 放 大高 频 振 荡倍 频高 频 放 大调 制缓 冲传 输 线话 筒声 音（ 直 流 电 源 未 画 ） 高频放大 fs fs 本地振荡 fo 混频 fofs=fi fi 低频放大 检波 中频放大 F F 高频电路高频电路3.3.振荡器的分类振荡器的分类正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡

2、器振荡器振荡器波形波形产生机理产生机理反馈式振荡器反馈式振荡器负阻式振荡器负阻式振荡器反馈型反馈型LC振荡器振荡器反馈型反馈型RC振荡器振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器反馈式振荡器反馈式振荡器反馈型反馈型RC振荡器振荡器反馈型反馈型LC振荡器振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器01idtCRidtdiL, 022022idtdidtid为固有角频率。为回路衰减系数其中：LCLR1,20)2()2(202202CLRCLR即即teLViCLRtsin)2(202时，即202j其中：1）一套振荡回路。一套振荡回路。包含两个（或两个以上）储能元件。包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一

3、个释放能量时，另一个就接收能量。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。2）一个能量来源。一个能量来源。补充由振荡回路电阻所产生的补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。源。3）一个控制设备一个控制设备。可以使电源功率在正确的时刻补可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。和正反馈电路完成的。-+0

4、) 1(1)(122LibbLfbbibribLirhhLCdtdiMhhLhCLChdtidrbfbibobbhhhhh其中：很小时）（当rLCrhhLCibb1) 1(100XXFf反馈系数：idXXA00增益：fidXX01100FAFA或 Xo 基本放大基本放大 电路电路 Xid A Xf+Xi反馈网络反馈网络F0FAAAf001fA（从无到有）（从无到有）（由弱到强）（由弱到强）10FA（由增到稳）（由增到稳）10FA10FAbcVVA111max11()()(1 cos)ccPCcPcbccPVI RiRg VR )()cos1)(101cccPcARgA)cos1)(110ccc

5、PcRgA）（；为小信号线性放大倍数式中：0,24.AA一般取工作强度系数8/12/1F一般取1AF), 2 , 1 , 0(2nnFA振幅平衡条件：振幅平衡条件：相位平衡条件：相位平衡条件：10FA1FA), 2 , 1 , 0(2nnFZY即正反馈。即正反馈。 以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡的平衡条件。的平衡条件。 实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应变

6、化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的稳定条件。到破坏的稳定条件。 稳定条件也分为稳定条件也分为振幅稳定振幅稳定与与相位稳定相位稳定两种。以两种。以下分别讨论之。下分别讨论之。 (a) 不稳定平衡不稳定平衡 (b) 稳定平衡稳定平衡 两种平衡条件举例两种平衡条件举例1 1、振幅平衡的稳定条件、振幅平衡的稳定条件 振幅稳定是指振幅平衡条件遭到破坏时，振幅平振幅稳定是指振幅平衡条件遭到破坏时，振幅平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡幅度。衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡幅度。0omQ

7、omomVVVA振幅平衡的稳定条件：振幅平衡的稳定条件：2 2、相位平衡的稳定条件、相位平衡的稳定条件 相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。外部扰外部扰动动 稳定原理：稳定原理： 频率频率 相位相位 频率频率 tttd)()(相位平衡的稳定条件：相位平衡的稳定条件： 12QQ 从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件续的等幅振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和

8、稳定条件，它们是缺一不可的。因此，反馈型正弦和稳定条件，它们是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：波振荡器应该包括：1 AF1AF幅度稳定幅度稳定相位稳定相位稳定(+)(+)(+)(+) 由于三极管结电容和其它分布电容的存在，在频由于三极管结电容和其它分布电容的存在，在频率较高而率较高而LC回路电容较小时，将影响稳定性。回路电容较小时，将影响稳定性。(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)(-)(-)(+) 正反馈网络由正反馈网络由LC谐振回路中的电感分压电路将谐振回路中的电感分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端输出信号送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡

9、器。振荡器。MLMLF12L1L2CMLMLF1212LL电路的特点电路的特点: :4容易起振容易起振FA1改变电容不影响改变电容不影响F。4调整频率方便调整频率方便4振荡波形不够好振荡波形不够好高次谐波反馈较强，高次谐波反馈较强，波形失真较大。波形失真较大。4不适于很高频率工作不适于很高频率工作分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于L1与与L2两端，两端，F随频率变化而改变。随频率变化而改变。ieCoeCL1L2CoVfV)(HPF 高通CpI21CCF 如果正反馈网络由如果正反馈网络由LC谐振回路中的电容分压电路将谐振回路中的电容分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电容反馈

10、式三端输出信号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。振荡器。C1C2LC1C2L电路的特点电路的特点: :ieCoeCoVfV改变电容影响改变电容影响F，变电感不便。，变电感不便。4调整频率不太方便调整频率不太方便4输出波形较好输出波形较好高次谐波反馈较弱，高次谐波反馈较弱，波形接近正弦波。波形接近正弦波。4频率稳定度较好频率稳定度较好分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于C1与与C2两端，被较大两端，被较大C1与与C2 吸收。吸收。4适用于较高的工作频率适用于较高的工作频率甚至可只利用器件的输入电容甚至可只利用器件的输入电容和输出电容。和输出电容。)(LPF 低通L1L2C

11、C1C2L 为简便起见，假定谐振回为简便起见，假定谐振回路三个元件都是纯电抗，即：路三个元件都是纯电抗，即：振荡器的振荡频率等于回路的固有谐振频率，即振荡器的振荡频率等于回路的固有谐振频率，即0cbcebeXXX结论结论: :4三端式振荡器组成原则：三端式振荡器组成原则：Xbe与与Xce同性质，同性质，Xcb和和Xbe、Xce性质相反性质相反 。4成立成立cbcebeXXXce1jXZ be2jXZ cb3jXZ 举例举例: : 振荡器的振荡频率应低于振荡器的振荡频率应低于L1和和C1支路的串联谐振频率，此支路的串联谐振频率，此时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端的相位条件。时，该支路呈容性

12、，整个回路满足电容三端的相位条件。振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率2121210)(1CCCCLL 一、频率稳定问题一、频率稳定问题 主要指标主要指标:准确度与稳定度准确度与稳定度。一定时间间隔内，频率准确度的变化。一定时间间隔内，频率准确度的变化。1、准确度、准确度振荡器实际工作频率振荡器实际工作频率f与标称频率与标称频率 f 0之间的偏差。之间的偏差。2、稳定度、稳定度根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。定度三种。影响振荡频率的有如下三种因素（影响振

13、荡频率的有如下三种因素（P283 7.4.7）振荡回路参数）振荡回路参数与与;）回路电阻）回路电阻；）有源器件的参数。）有源器件的参数。稳定频率的措施稳定频率的措施1）减小温度的影响）减小温度的影响;2）稳定电源电压；）稳定电源电压；3）减小负载的影响；）减小负载的影响；4 4）管子与回路之间的连接采用松耦合；管子与回路之间的连接采用松耦合；5）提高回路的品质因数。）提高回路的品质因数。二、克拉泼电路二、克拉泼电路3211111CCCC21CCF131ceCCCCp特点：特点：311LCLC1.提高频率稳定度；提高频率稳定度；2.C1、C2不能过大，否则振荡幅度太低；不能过大，否则振荡幅度太低

14、；3.频率调节不方便。频率调节不方便。)(1143CCLLC三、西勒电路三、西勒电路LC1C2C3C4AB131ceCCCCp特点：特点：1.提高频率稳定度提高频率稳定度;4.C3的大小要适当，否则影响电路性能。的大小要适当，否则影响电路性能。3.频率调节方便；频率调节方便；2.振荡频率可以较高；振荡频率可以较高；名称名称电容三端式电容三端式电感三端式电感三端式克拉泼电路克拉泼电路西勒电路西勒电路振荡频率振荡频率波形波形好好差差好好好好反馈系数反馈系数接入系数接入系数频率稳定度频率稳定度差差差差好好好好频率调节频率调节不方便不方便可以可以方便，但幅方便，但幅度不稳定度不稳定 方便，幅方便，幅度

15、稳定度稳定 最高振荡最高振荡频率频率 几百至几几百至几千兆赫，千兆赫，但频率稳但频率稳定度下降定度下降几十兆赫几十兆赫 百兆赫，百兆赫，但幅度下但幅度下降降 百兆赫至百兆赫至千兆赫千兆赫21211CCCCLCMLL)2(12131LC)(143CCL21CC21CC21CCMLML12212CCC211LLL13CC13CCcepLC1C2C3C4ABL1L2CC1C2L一般一般LC振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度f /f0只能达到只能达到10-3 10-5。若要求频率稳定度超过。若要求频率稳定度超过10-5，需用石英，需用石英晶体振荡器。晶体振荡器。1. 石英晶体滤波器的特点石英晶体滤波

16、器的特点2. 石英晶体滤波器的应用石英晶体滤波器的应用 O X容性容性 容性容性 感感性性 sfpf4作电感用作电感用4工作于串联谐振状态工作于串联谐振状态振荡电路可分为两类：振荡电路可分为两类：(1)并联谐振型晶体振荡器并联谐振型晶体振荡器；(2) 串联谐振型晶体振荡器串联谐振型晶体振荡器。 C0 (a) (b) Cq Lq rq C0 Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 Lq5 rq5 Cqk Lqk rqk (c) 石英晶体谐振器(a) 符号 (b) 基频等效电路 (c) 完整等效电路 除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产

17、生奇次（产生奇次（2n-1）谐波的泛音振动。）谐波的泛音振动。基频振动模式时，基频振动模式时，产生奇次谐波谐振的支路因阻抗较高可忽略。产生奇次谐波谐振的支路因阻抗较高可忽略。4奇次谐波的泛音振动奇次谐波的泛音振动将晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为将晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。电路的基本准则组成三端振荡器。 若若上的电位升方向与上的电位升方向与电流方向相同，呈负电阻，电流方向相同，呈负电阻，故此负电阻相当于发电机作故此负电阻相当于发电机作用，它不但不消耗功率，反用，它不但

18、不消耗功率，反而向外界输出功率。注意，而向外界输出功率。注意，以上针对以上针对交流电阻交流电阻。串联型负串联型负阻振荡器线路和并联型负阻振荡器线路。阻振荡器线路和并联型负阻振荡器线路。snRr pnGg 1. 寄生振荡的危害寄生振荡的危害2. 寄生振荡的类型及产生原因寄生振荡的类型及产生原因3. 寄生振荡寄生振荡的排除和防止措施的排除和防止措施1. 间歇振荡间歇振荡2. 自偏压的建立过程自偏压的建立过程电电路路的的偏偏置置电电压压EeCC2b1b2bEBBEIRVRRRVVV3. 频率占据（或牵引）频率占据（或牵引）4. 频率拖曳现象频率拖曳现象1. RC相移网络相移网络jiFeRCjRCjCjRRVVFa11)(0图：RCRCRCF1arctan)(12jiFeRCjVVFb11)(0图：RCRCFarctan)(112（1）随着频率的变化，单节）随着频率的变化，单节R